天然氣過濾分離設(shè)備濾材性能測定與分析

劉云，楊亮，張立敏，楊天宇

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

（2.中海石油氣電集團有限責(zé)任公司， 北京 100028）

過濾分離設(shè)備在天然氣集輸系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，用于減少輸氣管道內(nèi)壁涂層磨蝕，保護壓縮機組、閥門、流量計等設(shè)備和儀表的安全穩(wěn)定運行[1]。工藝氣過濾分離設(shè)備通常以并聯(lián)方式組配，每臺過濾分離設(shè)備安裝數(shù)十根濾芯，采用過濾段和除霧段兩段匹配實現(xiàn)過濾分離[2]。燃料氣過濾分離設(shè)備一般安裝幾根高精度濾芯，微濾和聚結(jié)性能優(yōu)異，保障燃氣輪機透平葉片的可靠運行[3,4]。

天然氣中雜質(zhì)主要為固體顆粒時，通常采用臥式結(jié)構(gòu)的過濾分離設(shè)備，過濾氣體由濾芯外部進入流向內(nèi)部[5,6]，顆粒物被阻擋攔截在多孔介質(zhì)內(nèi)部。當(dāng)天然氣中的雜質(zhì)主要為液滴或鹽霧時，一般選用立式結(jié)構(gòu)的聚結(jié)過濾分離設(shè)備，此時的氣體由濾芯內(nèi)部流向濾芯外部，液滴被濾芯聚結(jié)后由設(shè)備的排液口排出[7]。圖1為兩種結(jié)構(gòu)型式的過濾分離設(shè)備。聚結(jié)器的過濾分離較高，尤其適用于微小液滴的和粉塵的分離，能夠除凈粒徑尺寸大于0.3μm的液滴和粉塵[8,9]。當(dāng)天然氣中所含的重組分進入長輸管線和設(shè)備時，隨著工況壓力和溫度的變化，會出現(xiàn)以飽和烴組分為主的凝析或反凝析現(xiàn)象[10,11]。天然氣長輸管線中的氣體凝析液難以實現(xiàn)高效分離，嚴重影響到壓縮機組和閥門等設(shè)備和儀表的安全運行[12-15]。因此，研究天然氣過濾分離設(shè)備的材料型式、操作參數(shù)和過濾介質(zhì)等因素對運行性能的影響，對于提高過濾分離設(shè)備的性能及保障壓縮機組的安全可靠運行具有重要意義。

圖1 兩種結(jié)構(gòu)形式的天然氣過濾設(shè)備

1 研究裝置與方法

實驗裝置如圖2所示，主要由液滴發(fā)生裝置、氣液過濾分離裝置及性能檢測裝置幾部分組成。液滴發(fā)生裝置產(chǎn)生的用于模擬工藝氣的液滴隨氣流進入實驗裝置后，通過濾材過濾分離，未被過濾的液滴隨氣流進入測量裝置，通過采集和分析系統(tǒng)測量得到出口液滴濃度和顆粒粒徑分布等數(shù)據(jù)。

圖2 實驗裝置流程圖

2 研究結(jié)果及討論

2.1 操作參數(shù)對過濾性能的影響

2.1.1 濾材傾角的影響

天然氣過濾分離設(shè)備臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)的差別，主要區(qū)別在于重力對設(shè)備操作性能的影響不同。因此，考察傾角對過濾分離性能的影響，可為過濾分離設(shè)備的選型提供參考依據(jù)。圖3為濾材傾角示意圖，濾材傾角定義為重力方向與氣流方向之間的夾角。

圖3 濾材傾角定義示意圖

（1）傾角對壓降的影響

傾角為0°時，濾材水平放置，含液過濾氣流由上而下通過濾材。轉(zhuǎn)動裝置由小到大逐漸增加濾材傾角，使得傾角由0°逐漸增加至180°。圖4和圖5分別為過濾氣速為0.07m/s以及0.05m/s時濾材壓降與傾角的變化關(guān)系，由圖中可知，傾角的變化對過濾壓降的影響不大，操作過程濾材壓降保持相對穩(wěn)定。

圖4 濾材傾角對壓降的影響

圖5 傾角對運行壓降的影響

（2）傾角對出口液滴濃度的影響

圖6和圖7分別為過濾氣速為0.07m/s及0.05m/s時，不同傾角液滴濃度的變化情況。當(dāng)傾角在0°～90°變化時，由于重力的影響，液滴聚結(jié)后很快由排液口排出，過濾裝置出口濃度較低。當(dāng)傾角大于90°時，含液氣流由濾材下方進入，重力阻礙液體從濾材排出，隨著傾角增大，在濾材的表面累積的液滴也越多，導(dǎo)致過濾裝置出口濃度增加。傾角為180°時，出口液滴濃度達到最高值。

圖6 傾角對出口液滴濃度的影響（過濾氣速0.07m/s）

圖7 傾角對出口液滴濃度的影響（過濾氣速0.05m/s）

（3）傾角對分級效率的影響

圖8為過濾速度0.07m/s時，濾材的分級效率隨傾角的變化情況。

圖8 濾材的分級效率隨傾角的變化情況

由圖8可知，當(dāng)液滴粒徑尺寸小于3μm時，不同傾角下的濾材分級效率差別不大，而液滴粒徑大于3μm時，濾材的分級效率明顯不同，傾角較小時分級效率較高，而傾角較大時分級效率較低。

綜上所述，濾材傾角對穩(wěn)態(tài)壓降影響較小，當(dāng)傾角變化時，壓降保持相對穩(wěn)定，但出口液滴濃度變化較為明顯，傾角為180°時出口液滴濃度最大。由此可知，氣液過濾分離設(shè)備應(yīng)選擇立式結(jié)構(gòu)型式。

2.1.2 過濾速度的影響

（1）過濾速度對壓降的影響

圖9為不同過濾速度下壓降的變化情況。壓降隨著過濾速度的增加而增大。

圖9 不同過濾速度下壓降的變化情況

（2）過濾速度對出口液滴濃度的影響

圖10為運行壓降達到穩(wěn)態(tài)后，出口液滴濃度隨過濾速度的變化情況，由圖10可知，出口液滴濃度隨著過濾速度的增加而降低，過濾速度越快，過濾效率越高。

圖10 出口液滴濃度隨過濾速度的變化情況

（3）過濾速度對分級效率的影響

圖11為分級效率隨過濾速度的變化情況。由圖11可以看出，過濾速度越快，液滴的分級效率越高。

圖11 分級效率隨過濾速度的變化情況

綜上所述，濾材壓降隨過濾速度的增加而增大，但增幅較小；提高過濾速度，有利于增加過濾效率，因此選用較高的過濾速度有利于改善設(shè)備的氣液過濾分離性能。

2.2 過濾介質(zhì)物性對過濾性能的影響

2.2.1 液體黏度的影響

實驗用液體選用介質(zhì)為白油。表2為溫度25℃時白油物性參數(shù)，由表2可知四種白油表面張力基本接近，而黏度存在較大差異。據(jù)此研究黏度對氣液過濾性能的影響。

表2 實驗用液體的物性參數(shù)

（1）液體黏度對壓降的影響

圖12為液體黏度不同時濾材壓降變化規(guī)律。黏度由16mPa·s逐漸增至72mPa·s，穩(wěn)態(tài)壓降隨之升高，但增幅較小，說明黏度對壓降的影響相對較小。

（2）液體黏度對出口液滴濃度的影響

圖13為過濾速度0.05m/s和0.07m/s時，液體黏度對出口液滴濃度的影響情況。由圖13可知，液體黏度越小，越容易形成大尺寸液滴，因此濾材出口的液滴濃度隨著黏度的增加而增大。

圖12 液體黏度不同時濾材壓降變化規(guī)律

圖13 液體黏度對出口液滴濃度的影響情況

（3）液體黏度對出口液滴粒徑分布的影響

圖14為不同黏度時濾材出口粒徑的分布情況。由圖14可知，液體黏度為15mPa·s時，濾材出口最大粒徑約為9μm，而液體黏度為70mPa·s時，濾材出口多為1μm以下的小粒子，最大粒徑不超過2μm。

圖14 液體黏度對出口粒徑分布的影響情況

2.2.2 液體表面張力的影響

（1）表面張力對壓降的影響

圖15為濾材壓降隨液體表面張力的變化情況。由圖15可以看出，表面張力對壓降影響較大，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面表面張力較大時，氣體和液體之間的毛管作用力也相對較大；另一方面表面張力越大，濾材的排液效果越好，含液飽和度越小，使得濾材等效填充密度較小，因此濾材壓降是上述兩個因素共同作用的結(jié)果，機理相對復(fù)雜且并不具有單調(diào)性。

圖15 濾材壓降隨表面張力的變化情況

（2）表面張力對出口液滴濃度的影響

圖16為液體表面張力不同時濾材出口液滴濃度變化情況。由圖16可見，表面張力為39.9mN/m時，濾材出口液滴濃度達到最大值，為穩(wěn)定過濾階段。隨著液體累積量的增加，出口液滴濃度由1.3mg/m3上升到2.6mg/m3，變化幅度較大，當(dāng)表面張力較小時，出口液滴濃度值也較低。

圖16 液體表面張力不同時濾材出口液滴濃度變化情況

（3）表面張力對出口液滴粒徑分布的影響

圖17為液體表面張力不同時濾材出口粒徑分布變化情況。由圖17可知，過濾裝置出口液滴濃度隨著表面張力的增加而增大，表面張力為39.9mN/m時，出口存在較多的大尺寸液滴，最大粒徑約為7μm；而表面張力為21.3mN/m時，出口液滴尺寸較小，最大粒徑約為4.5μm。

3 研究結(jié)論

圖17 液體表面張力不同時濾材出口粒徑分布變化情況

為探究天然氣過濾分離設(shè)備濾材氣液過濾機理，設(shè)計了性能測試與分析實驗裝置，研究操作參數(shù)和過濾介質(zhì)等因素對運行性能的影響。主要研究結(jié)論如下：

（1）濾材傾角對過濾壓降影響程度較小，對出口液滴濃度影響較大。當(dāng)濾材傾角為180°時，出口液滴濃度值最高，選擇立式結(jié)構(gòu)型式有利于過濾分離設(shè)備穩(wěn)定運行。

（2）壓降隨過濾速度增加而增大，但增幅較小，濾材出口液滴濃度隨過濾速度的增加而顯著下降，因此選用較高的過濾速度利于改善氣液過濾性能。

（3）液體黏度和表面張力對出口液滴濃度有較大的影響，降低過濾介質(zhì)黏度和增加表面張力，過濾效率顯著提高。

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